Нова гледна точка за хумуса през XXI век

Интересът към плодородието на почвата и естеството на произхода на важен компонент от нейната органична материя – хумусът не е отслабнал в продължение на много векове. Самото понятие и думата „хумус“ произхожда от древен Рим, където се използва за описание на „съдържанието на мазнини“ в почвите с различно плодородие.

В средата на XVIII век сред учените набират популярност идеите на М.В. Ломоносов, че черноземите се образуват от разлагането на растителни и животински остатъци в почвата с течение на времето. В края на същия век немският учен Ахард химически изолира тъмна утайка от торф, като обработва алкален екстракт от торф със сярна киселина. Тъмната субстанция (сокът на земята), изолирана чрез химичния метод, започва да се нарича хумус. Реалният състав на хумуса по това време остава неизвестен, така че дълго време доминира теорията на учения Валерий и агронома Тайър за храненето на растенията с хумус.

През XIX век много европейски учени започват да изучават хумуса и един от тях, Карл Шпренгел, поставя под въпрос храненето на растенията с хумус. Хумусната теория за храненето на растенията е изоставена, след като професор Юстус фон Либиг излага теорията за минералното хранене на растенията и публикува на книгата си „Земеделска химия“. След това интересът към хумуса като източник на хранене на растенията изчезва. В края на XIX век обаче се появява науката за почвознанието, която започва да изучава по-задълбочено почвената органична материя и хумус от агрономическа гледна точка. Руският учен В. И. Вернадски нарича хумуса „продукт на съвместната еволюция на живата и неживата планетарна материя“.

През следващия век почвоведите в Европа и СССР изучават състава и образуването на хумус в почвите. След това „хумус“ се превръща в общопризнат научен термин в селското стопанство, който се свързва с всички свойства на почвата, които са важни за живота на растенията. Органичната материя на почвата е поета за изучаване от химици, агрономи и микробиолози. В хумуса са открити 53-58% въглерод, 31-40% кислород, 3-5% азот и 3-4% водород, което потвърждава сходния му характер в различните видове почви. Не е било възможно да се определят специфичните формули на веществата, включени в хумуса. Характеризира се въз основа на състава и свойствата, като му се възлага основната роля за осигуряване на плодородието и съхраняването на минералните ресурси.

Що се отнася до произхода на хумуса в почвата, учените са стигнали до извода, че той се образува от мъртви части на растения на повърхността на почвата и тяхното разлагане на прости съединения с ниско молекулно тегло. Растителните остатъци, богати на въглехидрати и протеини, и образуваният от тях „лабилен хумус“ са храна за организмите, живеещи в почвата. Разлагащи се и минерализиращи, те вече служат като храна за растенията. Образуването на „стабилен хумус“ в почвата се случва, когато процесът на разлагане е прекъснат и органичният въглерод (C_org) е стабилизиран.

Натрупванията на макромолекули, образувани от богати на лигнин растителни остатъци, са взети за стабилен хумус. Установено е, че молекулите на хумуса са много големи съединения на дълготрайната част от почвената органична материя. В хумуса са открити циклични и ароматни съединения: лигнин, флавоноиди, киселини, аминокиселини, захари, нуклеинови киселини и полизахариди. Предполага се, че в почвата тези прости съединения постепенно се събират чрез хумификация (образуване на хумусни вещества) в нови стабилни молекули на почвения хумус (възниква вторичен синтез). По този начин хумусните вещества се разглеждат като много сложна смес от естествени съединения, които не съществуват в живите организми.

Почвите съдържат 1-12% хумусни вещества. Те имат тъмен цвят и са „азотсъдържащи високомолекулни съединения, предимно киселинни по природа“. Те се считат за основен органичен компонент на почвата.

Предполагало се е, че поради големия размер на молекулите на хумусните вещества и наличието на много функционални групи в тях, метаболитните процеси, които протичат в почвите са: абсорбцията на хранителни вещества от почвения разтвор, включително азот, фосфор, калий и влага, което ги прави впоследствие достъпни за растенията. В почвата, богата на органична материя и хумус, се образува благоприятна за растенията структура, запазва се влагата.

Използвайки радиовъглеродния метод, възрастта на хумуса е определена на стотици и хиляди години, което потвърждава неговата устойчивост на разлагане в почва, обитавана от микроорганизми. След като се изучават уникалните свойства на хуминовите вещества, те започват да се използват в растениевъдството, медицината и животновъдството.

Така до края на ХХ век теорията за образуването на хумус в почвите придобива следната форма. „Хумусът е представен от много специфична почвена група органични вещества, състои се от високо стабилни високомолекулни хумусни вещества, които бавно се образуват в почвата от продуктите на разлагане на растителните остатъци. Плодородието, качеството и свойствата на почвите зависят от съдържанието на хумус в почвата. До края на ХХ век тази теория за образуването на хумус в почвите в концепциите на фермерите и учебниците по плодородие остава доминираща.

Във връзка с глобалното затопляне поради парниковия ефект, чийто източник е  въглеродният диоксид на атмосферата (_CO2), климатолозите се заинтересуваха от богатата на въглерод органична материя в почвата. Оказа се, че запасите от органичен въглерод в горния слой на почвите от 1400 Gt са почти 3 пъти по-големи, отколкото в цялата биомаса на Земята. Оказва се, че незаменимият компонент на хумуса – въглерод, напускайки в почвата под формата на_CO2, намалява нейната плодородност, поради което основният елемент на опазването на климата започва да се счита и за такъв за опазване на почвата и натрупването на органични вещества в нея.

Постоянен източник на образуване на хумус е растителната покривка на повърхността на почвата. С нейна помощ се постига максимална активност на фотосинтезата, по време на която_{CO2 от} атмосферата се превръща в захари в растенията. Влизайки в почвата през корените, захарите впоследствие се превръщат в източник на енергия и хранене за почвените микроорганизми, микоризните гъби, азотфиксиращите и фосфат-мобилизиращите бактерии – основните помощници в процеса на образуване на хумус.

Увеличаването на скоростта на секвестиране на въглерод (_CO2) в почвата с помощта на растенията може да намали парниковия ефект. Междуправителствената експертна група по изменение на климата смята, че за да се спре глобалното затопляне, е необходимо да се увеличи съхранението на въглерод в почвата с 0,4% годишно. За да се направи  това, е необходимо да се намали обезлесяването, да се борим с деградацията и ерозията на почвата, да се намали оранта с плуг, да се отглеждат междинни култури и многогодишни култури в сеитбообращението.

С натрупването на хумус в почвата плодородието й се увеличава, емисиите на въглероден диоксид в атмосферата намаляват. Съществува пряка връзка между съдържанието на хумус и органичен въглерод в почвите: хумус = C_org × 1.72. Трябва да се има предвид, че хумусът се състои от въглерод и азот в съотношение 10: 1, следователно, в преследване на увеличаването на плодородието на почвата, земеделските производители трябва да вземат предвид този баланс (прилагат азот при заораване на растителни остатъци).

За съжаление, не всички методи за фиксиране на_CO2, предложени днес, са полезни за земеделските производители, ефективни за определени видове почви и дори полезни за климата. Понастоящем се обмислят най-приемливите методи за задържане и съхранение на въглерод в почвите за различните региони. Както се оказа, някои ефективни технологии за селското стопанство могат да увеличат парниковия ефект. Например, отглеждането на бобови растения в културите чрез способността им за фиксиране на азот води до натрупване на въглерод и азот в почвата, като същевременно допринася за освобождаването в атмосферата на 300 пъти по-силен източник на парниковия ефект – азотен оксид (N₂O).

В началото на XXI век постепенно започват да се натрупват факти, които не се съгласуват добре със съществуващата теория за образуването на хумус в почвите. Хумусът с помощта на алкална екстракция се  изолира не само от почвата и торфа, но и от всякакви органични остатъци: дънни утайки от сапропел, компост, гнило дърво и т.н. По този начин това вече противоречи на преобладаващите идеи, че хумусът е продукт само на особено специфични почвени процеси и не се образува в други среди.

Нови проучвания показват, че стабилен хумус се образува върху почвени агрегати и минерални повърхности в резултат на стабилизиране на хумусни вещества (C_org) с метални оксиди. Източникът на въглерод в този случай могат да бъдат въглехидрати и протеини, доставяни предимно от корените.

Проучванията показват, че след оран на необработвани земи и обезлесяване, съдържанието на хумус в почвите веднага намалява няколко пъти. Бързото образуване и разлагане на хумуса в почвите е потвърдено  с радиоактивен изотоп от 14 C. Растенията, етикетирани ^{с 14}C, влизат в почвата, където такъв въглерод бързо се открива в хумуса, който почти изчезва след няколко десетилетия, което потвърждава много по-бързото образуване и разлагане ^нахумуса.

Какво показва радиовъглеродният метод, който се основава на съотношението на радиоактивния изотоп 14 С и стабилните изотопи ¹²С и ¹³С?

В молекулите на всяко живо същество съотношението на радиоактивните и стабилните изотопи е постоянно и зависи от състава на въглерода в храната, а в случая на растенията във въглеродния диоксид. Когато един организъм или растение умре, ¹⁴C постепенно се разпада и времето на разпад може да се определи от остатъка му. Но в почвата органичната материя не се погребва веднъж завинаги: тя се разлага, консумира се от микроорганизми, превръща се в други съединения и отново се разлага. Радиовъглеродният метод не определя възрастта на отделните молекули, а момента на отстраняване на въглеродните атоми от атмосферата, които може да не напускат почвата, преминавайки от едно вещество в друго. Растенията улавят въглеродния диоксид в повърхностния слой и го връщат в почвата през корените. Въглеродният диоксид, образуван по време на дишането от микроорганизми, се прихваща от други жители на почвата (бактерии, нитрификатори, лишеи и водорасли). Веществата се променят, но въглеродните атоми остават същите, така че изотопната възраст нараства.

Канадските почвоведи проведоха изследвания с въглеродния изотоп 13 C и царевичните култури, които се характеризират с вида на фотосинтезата C₄ и натрупването на повече изотоп ¹³C в сравнение с други култури. Въпреки факта, че царевицата е събрана за силаж, след нея в почвата е открит много въглерод. Стигнали са до извода, че основният източник на въглерод в почвата не са растителните остатъци, а корените на растенията и техните ексудати, през които прости вещества с ниско молекулно тегло веднага влизат в почвата.

По време на вегетацията кореновата система на царевицата освобождава в почвата до 1000 т/ха богати на въглехидрати ексудати, с които се въвежда въглерод. Ето защо, агрономите, които се грижат за плодородието, при избора на междинни култури, трябва да обърнат внимание не на потенциалния добив на зелена маса, а на способността на културата да развие мощна коренова система.

В най-стабилната си форма въглеродът се намира върху глинестите минерали, а източникът му са коренови ексудати и микробни остатъци. Според австралийски учени повече от 45% от въглерода, получен от секретите на корените, се съхранява в почвата под формата на стабилен хумус, а по-малко от 10% се образува поради разлагането на кореновите системи. Оказва се, че корените и почвената фауна играят основна роля в процеса на образуване на хумус. Ето защо, най-ефективният начин за формиране на богати на хумус почви е да се култивира по време на вегетацията, в допълнение към основните култури,  стърнища и междинни култури.

Преди се смяташе, че размерите на молекулите на хумуса се различават десетки и хиляди пъти. Въпреки това, данните, публикувани през 2001 г. в Италия за химическия състав на хумуса, показват, че хумусните вещества не са огромни полимери, а групи от малки молекули, свързани със слаби химични връзки (клъстери от прости молекули – молекулярен ансамбъл).

Кога въглеродът в почвата става устойчив на разлагане? В първия случай, когато органичната материя се превръща в пирогенен въглерод (въглища), който в почвата всъщност може да има изотопна възраст от хиляди години.

В друг случай обикновените молекули органична материя в почвата стават стабилни, когато се придържат към твърди глинести минерали със слоеста структура с огромна специфична повърхностна площ (каолинит, вермикулит). В адсорбирано състояние органичната материя е устойчива на разлагане от микроорганизми и техните ензими. Колкото повече глинести минерали има в почвата, толкова по-добре органичната материя е защитена от разлагане.

Самата органична материя също държи минералните частици на почвата заедно и тази роля на почвеното „лепило“ започва да се приписва на гликопротеин, наречен гломалин. Гломалин е открит в мицела на арбускуларната микориза, представител на симбиозата на гъбите с корените на растенията. Той навлиза в почвата от мицела на микоризните гъби и насърчава адхезията на почвените частици в агрегати, определя качеството на структурата на почвата и въглеродните резерви.

По-късно е открито, че цяла група протеини, липиди и фенолни съединения, а не само  микоризата, поддържат стабилността на почвените агрегати. За разлика от хумуса, те определено съществуват в почвата и укрепват нейната структура. Почвените частици също се държат заедно от полизахариди от бактериални клетъчни капсули, самите бактериални клетки, секрети на земни червеи, гъбични хифи и корени на растения.

Учени от Швейцарския университет приемат, че количеството органичен въглерод, което може да се съхранява в почвата, зависи от съдържанието на глина (съотношение 10:1). По този начин леките почви с 10% съдържание на глинести минерали могат да бъдат обогатени с 1% C_org (около 1,7% хумус). А тежките почви, съдържащи до 31% глинести минерали, ще отговарят на изискванията за 5% обогатяване с хумус.

Не хумусът задържа влагата, а порите на почвата, чийто размер зависи от наличието на хумус и калций в почвата! Калцият допринася за образуването на почвени агрегати и стабилизира хумуса, което дава възможност да се увеличи инфилтрационната способност на почвата и да се задържи влагата в нея по време на суша. За успешното формиране на почвените агрегати почвено-абсорбиращият комплекс трябва да бъде наситен с основи: 70-80% калций, 10% магнезий и 5% калий.

Благодарение на варуването (калций и магнезий) върху кисели почви, катионно-йонното равновесие се възстановява. Но въпреки оптималната стойност на рН, е необходимо да се запази капацитетът за обмен на катиони (абсорбционен капацитет) под контрол, тъй като катионите засягат плодородието на почвата. В същото време трябва да се има предвид, че излишъкът от калий и магнезий в почвата влияе отрицателно върху нейната структура, така че магнезиевите и калиевите торове трябва да се прилагат в съответствие с резултата от агрохимичния анализ на почвата. Твърде високото съдържание на калий прави почвата податлива на повърхностно уплътняване, а ниското съдържание на калий води до намаляване на толерантността към суша и добивите от културите.

Стойността на капацитета за обмен на катиони е необходима за оценка на качеството и плодородието на почвата. :

\u3 в пясъчен – 6-100 mEq./<> g почва,

\u10 в средно глинеста почва 20-100 mEq/<> g почва.

Черноземите се характеризират със среден и висок катионен обменен капацитет (20-70 mEq/100 g почва).

През 2015 г. в списание Nature се появи публикация, че в почвата не се случва хумификация и вторичен синтез. Авторите на статията представиха континуум (непрекъснат) модел, според който почвената органична материя е конвейер за преработка и повторно използване на органична материя от големи биополимери до техните продукти на разлагане, мономери и въглероден диоксид.

По този начин, според последните виждания, в почвата няма специфични стабилни полимери и ядра на хумусни вещества – полиароматни съединения. Органичната материя в почвата не е силно стабилна, тя се разлага и се абсорбира от микроорганизмите. Всички скорошни постижения и открития, свързани с химията на почвите и хумуса, са наречени промяна в научния модел, промяна на парадигмата. Ето защо много термини и понятия от химията на почвата са загубили първоначалното си значение, тъй като с тях са свързани твърде много предположения. Хумусът все още се нарича фракция от органични вещества, освободени чрез алкална екстракция.

Напоследък учените упорито предупреждават, че плодородието на използваните почви е застрашено, запасите от хумус и количеството работа по възпроизводството на плодородието намаляват. Стигнахме до извода, че е по-трудно да се управлява плодородието и микробиотата в почвата, отколкото хората. Ако не обръщате необходимото внимание на подобряването на почвата и елементарното спазване на сеитбооборотите, тогава разчитането само на агрохимични параметри и инвестиции в минерални торове все повече се превръща в загуби. Биологизацията на системата за хранене на растенията показва положително въздействие не само върху икономиката на селскостопанското производство, но и върху потенциала за улавяне на въглерод от почвата.

За съжаление, нуждите на фермерите все още са фокусирани единствено върху икономическите ползи, но съвременната икономика вече ги кара да се чудят защо няма възвръщане на реализацията на генетичния потенциал на културите? Учените решават проблемите на методиката за оценка на здравето на живата почва и нейното възстановяване, в резултат на което стигат до извода, че подобряването на почвата трябва да се основава на принципа на биоразнообразието на живата биота, живееща в нея.